有限元极限分析法的适用性研究与应用

主要介绍有限元极限分析法的发展历程。分析了强度折减法在强度折减过程中、容重增加法在容重增加过程中屈服面的变化过程,对这两种有限元极限分析方法的适用范围进行了解释和说明。介绍了强度折减法的最新进展——拉剪强度同步折减的强度折减法,这种强度折减法能用于计算隧道的安全系数。从强度储备的角度对隧道安全系数进行了定义,并展望了安全系数在隧道工程中的应用前景。     

浅埋砂卵石土层隧道掌子面主动稳定性上限分析

依托成都地铁17号线明光站—九江北站盾构法施工区间，通过极限分析上限法及PLAXIS有限元分析方法探究影响浅埋盾构隧道掌子面的影响因素，分析内摩擦角、隧道埋深、隧道断面直径及土体容重对掌子面主动稳定性的影响。研究表明:掌子面支护力随隧道埋深C、隧道断面直径D及土体容重γ的增大而增大，而随内摩擦角φ的增大而非线性减小，且内摩擦角对支护力的影响最为显著。     

基于有限元强度折减法确定某隧道的安全系数

有限元强度折减法在确定边坡安全系数中得到了广泛应用,其基本原理为：同时折减土体材料强度参数c、φ值,找到边坡濒临破坏时的折减系数,此折减系数即为安全系数。对于隧道结构可采用类似的方法：折减土体的材料强度,将隧道濒临破坏时的折减系数定义为隧道的安全系数。通过有限元强度折减法计算得到算例隧道的安全系数。     

有限元极限分析法的进展及在隧道工程中的应用探讨

介绍有限元极限分析法的发展历程及目前的最新进展。分析强度折减法在强度折减过程中、容重增加法在容重增加过程中滑坡屈服面的变化过程,对这2种有限元极限分析方法的适用范围进行解释和说明。重点介绍一种改进的强度折减法—拉剪强度同步折减的强度折减法,通过分析指出这种改进的强度折减法适宜计算隧道的安全系数大小,并对该法在隧道工程中的应用前景进行展望。     

非线性准则下三维加筋边坡稳定性的上限分析

为了研究非线性摩尔-库仑破坏准则下的三维加筋边坡在均匀加筋和三角形加筋2种加筋模式下的稳定性,采用极限分析上限理论,构建加筋边坡破坏的三维破坏机构,推导不同加筋模式下的筋材内能耗散方程,并根据上限定理将三维加筋边坡的稳定性问题转化为显式优化问题,得到三维边坡稳定性指标的计算公式。采用MATLAB软件计算,将结果与已有研究成果进行比较,验证了所提出计算方法的正确性,并进一步讨论了非线性参数m、宽高比B/H、不同加筋模式以及不同加筋强度k0对三维边坡稳定性的影响。结果表明:稳定性系数Ns随着m的增加而非线性减小,在坡角较小(不大于60°)的情况下,m对边坡稳定性系数Ns的影响较大,边坡的非线性特性比较明显;稳定性系数Ns随着B/H的增加而减小,在B/H5尤其B/H2时,稳定性系数下降速率较快,B/H越接近10时稳定性系数逐渐趋于稳定;三角形加筋模式的加固效果优于均匀加筋模式,稳定系数性Ns随着加筋强度k0的增加而线性增大,但变化规律并不显著。在实际工程中,建议B/H较小时,要对加筋边坡进行三维分析以符合工程实际;坡角较小时需要考虑土体的非线性破坏特征,选取合适的非线性参数可避免不安全的设计;在工程条件允许的情况下,优先选择三角形加筋模式进行边坡加固。     

有限元强度折减法对两类土坡的稳定性分析

基于强度折减理论对两类土坡进行稳定性分析,根据土体破坏机理,对土体的抗剪强度参数c,φ以不同的折减系数进行折减。针对工程实际中以单一的安全系数表示边坡的安全储备情况,采用两种方法对折减后的安全系数进行对比分析:最短路径法物理意义较为清晰,最小平均值法计算较为便捷,两者在数值上差距并不大。并对两类土坡的剪胀性作为影响因素与c,φ同时进行折减分析,作出各自安全系数受剪胀角的影响曲线,得出黏性土坡可以不考虑剪胀性,砂性土坡不仅在评定安全系数中考虑剪胀角的影响,在评估失稳破坏程度上也要考虑剪胀角的影响。     

基于强度折减法的加筋路堤稳定性分析

土工格栅在加筋技术中应用非常广泛,合理的设计方法是保证结构安全、稳定和耐久性的重要前提。通过PLAXIS软件建立基于强度折减法加筋陡坡路堤模型,分析加筋陡坡路堤的安全系数。结果表明,随着筋材间距的增加,加筋陡坡路堤的安全系数会逐渐减小;边坡高度越高,边坡则越不稳定,安全系数越低。     

非线性破坏准则下土体剪胀性对地震主动土压力的影响

该文基于极限分析上限法,提出一种可以综合考虑土体强度非线性及剪胀性的主动土压力系数的计算方法。在引入非关联流动法则的基础上,借助切线技术将非线性强度参数转化为线性参数。考虑地面超载以及地震力作用的影响,推导了各项外力功率和内能耗散功率的表达式,建立能量极限平衡方程,进而获得主动土压力的显式解,并最终获得主动土压力系数的最优上限解。参数分析表明:主动土压力系数随非线性系数、水平地震力系数和地面超载的增大而增大,随初始黏聚力和剪胀系数的增大而减小。通过算例说明在边坡挡土墙的设计中,非线性系数及剪胀系数应予以重视。     

剪胀角对路基边坡稳定性的影响分析

将强度折减法基本理论与弹塑性有限元相结合,以有限元计算收敛条件作为边坡失稳评判指标,分析某高速公路的边坡土体剪胀角对边坡稳定性的影响。计算结果表明：随着剪胀角的增长,边坡稳定安全系数逐渐增长,当土体剪胀角从0°增长到15°时,边坡的稳定安全系数增长了11%;边坡最终破坏的塑性区域随着土体剪胀角的增长而逐渐较小,这表明土体剪胀角对边坡稳定性有着显著的影响。     

考虑软化影响深度的土坡浅表层稳定性分析方法研究

为分析土坡浅表层稳定性，基于极限分析上限法理论，将滑面设为对数螺旋面，考虑坡体浅表层土体软化影响深度，建立了浅表层滑动破坏机构，推导了浅表层稳定系数的隐式计算公式，反映了稳定系数与坡面长度、软化影响深度、土体强度参数之间的关系。算例分析表明:边坡浅层旋转破坏机构得到的稳定系数与既有的三段式极限平衡法及数值模拟的结果均较为接近，且比数值模拟结果略微偏大。同时，随着坡面长度的增加，稳定系数逐渐减小到一稳定值；在某一软化影响深度时，稳定系数存在最小值；土体内摩擦角比黏聚力对浅表层稳定系数的影响更为显著。     

高丽营隧道围岩压力有限元-上限法计算方法研究

为研究浅埋隧道围岩压力的计算方法，依托高丽营隧道工程，采用有限元软件建模分析，并基于剪切应变判定准则得到浅埋隧道的失稳破坏形态。然后构建塑性极限分析上限法破坏模式和速度场，建立浅埋隧道围岩压力计算方法，对岩土体非线性破坏准则对浅埋隧道围岩压力的影响规律进行探讨。研究结果表明： 1）无论是基于线性还是非线性破坏准则，侧压力系数的取值对计算结果均有很大影响，侧压力系数的增大，会引起竖向围岩压力的减小和水平围岩压力的增加； 2）围岩压力随非线性系数的增加而逐渐减小。     

基于强度折减法的软硬不均地层隧道开挖方法转换时机研究

为确定隧道穿越软硬不均地层区段中隔壁台阶法向三台阶七步开挖法的工法转换时机,以某地下公路隧道为工程背景,考虑掌子面与软硬地层分界面不同相交位置关系,应用强度折减法对不同工况下隧道安全系数进行计算,获得掌子面与地层分界面相交位置改变时隧道安全系数的变化规律,通过数值计算,分析不同工况下隧道支护结构的变形及应力特征,进而确定隧道开挖及支护方法转换的合理时机。研究结果表明： 1）当基岩覆盖拱顶厚度达4 m后,隧道安全系数增长速率减慢并很快进入稳定状态; 2）基岩覆盖拱顶厚度达3 m后,支护结构变形及应力基本进入稳定状态; 3）确定当基岩覆盖拱顶厚度为4 m时由中隔壁台阶法转换为三台阶法,并通过工程实践对此转换时机的可靠性进行了验证。     

隧道施工中洞口边仰坡稳定性三维有限元分析

文章以云南思小高速公路麻地河1号连拱隧道为例,首先结合其地形、地质条件,建立了三维弹塑性有限元模型,动态模拟了此隧道上下台阶法开挖过程。同时采用强度折减法分析了隧道在施工过程中边坡的稳定性情况,得出了坡体的安全系数随施工的进行逐渐减小,最后趋于稳定的结论。最后简要分析了边坡的破坏失稳机理,提出需加强观测以及采取一定加固措施的建议。     

基于上限分析与随机响应面法的盾构隧道掌子面可靠度研究

为更全面准确评估孔隙水压力作用下盾构隧道掌子面的稳定性，提出一种基于极限分析原理的双对数螺旋线破坏机构为确定性模型，结合随机响应面原理的可靠度分析方法。该方法以孔隙水压力系数表示地下水引起的孔隙压力变化，通过上限分析得到隧道掌子面的安全系数； 运用拉丁超立方技术对安全系数进行抽样，建立基于Hermite多项式展开的近似极限状态方程，在验证响应面有效性的基础上，进一步采用蒙特卡洛模拟法获取隧道掌子面失效概率特征。利用该方法分析了土体参数变异性、地下水位以及支护力对掌子面失效概率的影响，并将其应用于湘江隧道掌子面的可靠性研究中。结果表明： 该方法可以有效地评估隧道掌子面的可靠性，并可为隧道掌子面支护力的选取提供理论参考。     

大跨小间距隧道微振钻爆施工及中夹岩振动特性研究

为了减少隧道爆破产生的振动,研究大跨小间距隧道中夹岩的振动特性,依托贵阳市七冲村1号公路隧道工程,依据自由面减振原理对CD法进行优化,提出中夹岩侧上台阶“前后错落3部”同步爆破施工的CD法,并对中夹岩内部围岩的爆破振动进行测试,研究并揭示后行隧道掏槽孔、辅助孔及周边孔爆破时掌子面前后中夹岩内部围岩的振动速度传播规律。研究结果表明：利用增加自由面个数和面积对CD法进行优化,能够保证在施工进度不变的条件下,使5 m处围岩的振动速度小于5 cm·s^-1,有效地减小了爆破振动,实现微振爆破施工;在隧道爆破近区,爆破距离是影响振动速度的主导因素,质点最大振动速度由周边孔单段装药量决定;在隧道爆破中远区,装药量是影响振动速度的主导因素,质点最大振动速度由最大一段装药量决定;无论掏槽孔爆破还是辅助孔及周边孔爆破,掌子面前方中夹岩振动速度都稍大于掌子面后方中夹岩振动速度;掌子面前方岩体的场地系数K大于掌子面后方中夹岩的场地系数K;随着自由面数量的增加,场地系数K及衰减系数α都减小。     

非关联流动法则对双线平行隧道上限解的影响分析

基于极限分析上限定理,对双线平行隧道的稳定性进行了研究。考虑非关联流动法则的影响,修正了围岩的抗剪强度,求得了隧道支护力的上限解表达式。利用Matlab数值软件,计算了支护反力最小值,并探讨了剪胀系数、埋深、洞径、间距等参数的影响,结果表明：剪胀系数η对隧道的稳定性有较大的影响,随着η的增大,支护反力非线性减小。     

全风化红砂岩地层隧道掌子面变形特征及控制技术研究

为解决全风化红砂岩地层隧道在开挖过程中出现的掌子面失稳问题,以浩吉铁路阳城隧道为工程依托,利用现场调研、室内试验以及数值模拟等多种研究方法,对全风化红砂岩地层隧道掌子面的变形特征及控制技术进行系统研究。结果表明： 1）掌子面挤出位移主要集中在掌子面高度3~10 m的位置,掌子面最大挤出位移出现在上台阶和中台阶交界位置。2）拱顶沉降主要发生在已开挖段和掌子面前方约1倍洞径处,其预变形量占总变形量的比值均在40%以上,最大达到78.33%。3）掌子面前方核心土挤出变形曲线的变化趋势从快速减小到缓慢减小,直至减小为零,大致将其分为强影响区、弱影响区和无影响区3个区间,影响范围为5.8~19.2 m。4）阳城隧道采用超前水平旋喷桩和三台阶预留核心土法可以较为有效地控制掌子面的挤出变形,实际施工中,建议在采取降水措施的情况下将2种控制措施配合使用。     

赣深高铁龙南隧道大型富水断层破碎带施工技术

为解决富水铁路隧道断层破碎带极易突水涌泥的难题，依托赣深高铁龙南隧道F8断层施工，采用地表抽水试验获取F8断层破碎带岩土体渗透系数、抽水影响半径等水文地质参数，提出“地质雷达+TSP+超前钻孔”综合预测手段超前探测断层影响区，并采用“分水降压+内堵外固+安全监测”等综合处理措施。结果表明： 1）通过地表抽水试验计算得出，渗透系数为0.309 7～2.803 2 m/d，抽水影响半径为247.59～763.31 m，验明隧道断层水具有承压性，为降排水提供依据； 2）运用综合地质预报精准探测隧道掌子面DK99+435已提前进入F8断层核心区； 3）采用综合处理措施，断层水可控排放，注浆后取芯率为85%，涌水量为0.83 L/(m·min)，注浆加固效果良好。